宁夏引黄灌区水稻冠层高光谱特征研究

李永梅　张立根　侯静　张学俭

摘要：以不同施氮量试验小区为依托，对各生育期水稻冠层光谱反射率及一阶微分光谱进行分析。结果表明，水稻冠层光谱随生育期的变化规律与其生长发育变化特征相对应；不同施氮条件下水稻冠层光谱反射率随施氮量增加在可见光波段降低、近红外波段升高，其中550～600 nm和800～900nm处差异明显，是诊断氮素的特征波段：红边位置（A。）和红边斜率（DT）在孕穗期前均随着氮素水平的提高而增加，齐穗期后出现蓝移现象，DT减小；将特征波长的比值指数和DT与叶片氮积累量进行相关性分析，结果显示，800 nm和550 nm的反射率之比与叶片氮积累量的相关性较好，其相关系数为0，864，λ，和D，与叶片氮积累量的相关系数分别为0.814、0.908。说明合适的光谱变量可以诊断水稻氮素状况，进而为合理施肥提供参考。

关键词：水稻；冠层；高光谱特征；宁夏引黄灌区

宁夏大米以上乘品质著称，得益于优越的生态环境。孟亚利等对全国气候生态条件评价的结果显示，宁夏引黄灌区的综合评价结果几乎全为1级。同时光热资源分析表明，宁夏水稻的潜在生产力和现实生产力均位居全国第二位。随着“三农”政策的推进，宁夏引黄灌区正在建设高产优质万亩水稻种植基地，水稻生产向着规模化产业化方向发展。然而，在水稻栽培中仍存在氮肥施用过多等问题，不仅影响水稻产量及品质，也给环境带来严重污染。如何合理施用氮肥，成为宁夏优质水稻栽培生产中需要研究的重要问题。

近几年，高光谱遥感技术作为诊断作物氮素的新手段备受关注，是变量施肥的基础技术，在现代农业中有极高的应用价值及前景。宁夏北部引黄灌区太阳辐射总量为5 873×10⁶-6 101×10⁶J/m²，年日照时间为2 868～3 060 h，利于应用遥感技术对水稻营养进行诊断与监测，目前宁夏还未见有相关研究报道。本研究结合宁夏水稻生长发育规律，以不同施氮水平的试验小田为依托，探讨水稻冠层反射光谱变化规律，分析水稻高光谱反射率及其变量与水稻氮素含量的关系，为宁夏水稻氮素的遥感监测提供基础，为合理施肥提供依据，对促进宁夏水稻产业向高档绿色食品发展具有现实意义。

1.材料与方法

1.1试验方法

试验地点为灵武市梧桐树乡杨洪桥村，供试品种为宁优2号，种子播种量为300 kg/hm²，行间距为23 cm。旱直播种植方式。设3个氮素处理，纯施氮量分别为240、270、300 kg/hm²，用N0、N1、N2表示。每小区为4.8 m×12.5 m，小区间筑埂隔离，重复3次，随机排列。所有氮肥分别在播种期、分蘖期和孕穗期按50%、30%和20%施入。磷（P2O5）和钾（K2O）施用量为90 kg/hm2和45 kg/hm2，全部基施。田间管理栽培措施和大田生产相同。

1.2高光谱反射率测定

利用美国SVC GERl500野外便携式光谱仪，光谱波段512个，光谱范围350～1 096 nm，其中350～1 050 nm内性能稳定，采样间隔为1.5 nm，视场角是25°。光谱测定从分蘖盛期至乳熟期几乎覆盖水稻整个生育期。为了保证光谱数据的质量，测定选择在有适当太阳高度及光照强度的条件下进行，选择晴朗、无风或风速极小的天气，时间在10：30-14：30最佳。每次测定要用白板校准仪器。测定时，传感器探头垂直向下，距离冠层顶为70 cm，每小区选取3个点分别测定5次，取均值作为小区的高光谱数据。

1.3氦素测定

在冠层光谱测定的范围内取样，用烘箱在105℃杀青约10 min，在80℃烘72 h至恒重，采用凯氏定氮仪测定其氮素含量。

2.结果与分析

2.1冠层光谱随生育期的变化规律

随着水稻不断生长，其叶面积指数、覆盖度和生物量等均发生变化，光谱反射率也会随之发生改变。图1为不同生育期水稻冠层光谱反射率的变化情况，由图1可以看出，各生育期的水稻冠层光谱反射率都具有绿色植物典型的光谱特征。在可见光波段，从分蘖盛期（7月3日）至孕穗期（8月13日），水稻冠层光谱反射率呈现降低趋势，这是由于随着植株持续生长、水稻叶面积指数及覆盖度不断增长，水稻群体的光合能力不断提升，从而使可见光波段的吸收增强，其反射率逐步降低，抽穗期（8月24日）降至最低。从抽穗期至乳熟期（9月3日），可见光波段水稻冠层光谱反射率呈现增长趋势，是由于从抽穗期起养分开始由叶片向穗部转移，使水稻冠层的叶绿素减少，使得可见光波段的红光和蓝光反射率逐步升高；进入成熟期（9月24日）后，绿色叶片养分继续向穗部转移，叶绿素不断分解，底部叶片逐步转黄、枯萎、脱落，叶面积指数也不断降低，使水稻光合作用减弱，可见光波段的反射率迅速上升。红波段、蓝波段的反射率上升加快。

近红外区，从分蘖盛期，随着水稻叶面积指数增加，近红外的反射率不断增大，当叶面积指数在抽穗期达到一定值时，近红外反射率也随之趋于稳定。灌浆和乳熟期，由于叶片向穗部转移了大量养分，使得叶片内部组织结构发生明显变化，近红外波段的光谱反射率也开始逐步下降，一直持续至水稻成熟。

2.2不同氦素水平的冠层高光谱特征

不同施氮水平下，水稻冠层光谱反射曲线如图2所示。由图2可见，水稻在分蘖盛期、孕穗期、齐穗期都呈现出基本相似的规律：在可见光波段350-700 nm，水稻冠层光谱反射率呈现出随施氮量的增加而降低，在近红外波段750-1 050 nm，随着氮肥用量的增加，冠层光谱反射率逐渐升高。施氮量增加，水稻叶绿素含量也随之升高，使光合能力增强，可见光波段的吸收增加而反射减弱，在近红外波段主要受叶面积大小的影响。分析得出，冠层反射光谱在可见光波段为480-670 nm和近红外波段为800～910 nm处更易于区分不同的氮肥处理。

2.4不同氦素水平的导数光谱及红边参数

从图3和表1可见，不同施氮条件的一阶微分反射光谱峰值位置及峰值大小明显不同。分蘖盛期和孕穗期，红边位置及红边斜率均随着氮素水平的提高而增加，表明该时段水稻叶片的叶绿素含量与氮素呈正相关：齐穗期后红边位置呈现蓝移，红边斜率减小。由此可知，水稻冠层光谱红边位置及红边斜率均与氮素水平有关，可作为诊断水稻氮素的特征光谱。

2.5水稻反射光谱与叶片氮积累量的关系

采用t检验法对相邻施氮处理间的光谱差异进行检验，结果表明，分蘖盛期至孕穗期诊断氮素水平的波段集中在可见光区的550～600 nm和近红外波段的800～900 nm。冠层光谱是对植被群体光谱特征的反映，是包含了秆、茎、叶片、穗及下垫面等背景光谱信息的综合体，用单波段光谱诊断叶片氮积累量容易受叶面积指数、生物量和背景等影响。根据水稻冠层高光谱反射率特征，分析了近红外与可见光2个波段的比值共60个植被指数与叶片氮积累量之间的关系，其中与叶片氮积累量相关性较好，相关系数为0.864，达到显著水平。红边位置和红边斜率与叶片氮积累量的相关系数分别为0.814、0.908，也均达到了显著水平。

3.讨论

通过人为控制施氮量导致试验田中水稻叶绿素含量及叶面积指数产生差异，进而使水稻冠层反射光谱产生差异。随着水稻生育期的推进也引起水稻冠层反射光谱的差异。通过对田间试验的分析，表明水稻冠层反射光谱及一阶微分光谱变化的规律性与其生长发育的变化特征是相对应的：不同施氮水平下水稻冠层光谱差异明显，反射率随施氮量增加在可见光波段降低、近红外波段升高：红边位置（λ）和红边斜率（D）在孕穗期前均随着氮素水平的提高而增加，齐穗期后红边位置呈现蓝移，红边斜率减小。

在对光谱反射率与氮素相关性分析中，由于冠层光谱反映的是植被群体的光谱信息，受叶面积、生物量及下垫面等影响较大，本研究采用群体叶片氮积累量（单位面积土地上全部叶片氮素总量）与光谱变量进行相关分析，在一定程度上可以消除冠层光谱所受的影响。同时，仅用单一波段分析冠层光谱受生物量、下垫面等的影响较大，本研究采用2个波段的比值并结合红边参数，这样可以消除噪音对光谱数据的干扰，扩展不同施氮水平水稻间的光谱差异，充分挖掘反射波段的光谱信息，提高光谱分析的准确性。本研究说明利用高光谱遥感技术实时诊断水稻长势和肥力状况具有重要意义和巨大潜力。